Inhaltsverzeichnis - Wiley-VCH
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Inhaltsverzeichnis Über den Autor Widmung Danksagung Über die Übersetzer 7 7 7 7 Einleitung 19 Über dieses Buch Schreibweisen in diesem Buch Was Sie nicht unbedingt lesen müssen Voraussetzungen Der Aufbau dieses Buches Teil I: Grundlagen der Physik Teil II: Arbeit hält warm: Mechanik und Wärmelehre Teil III: Feldarbeit: Elektrizität und Magnetismus Teil IV: Wellenreiten: Licht und Schall Teil V: Moderne Physik Teil VI: Der Top-Ten-Teil Symbole in diesem Buch Nun kann es losgehen! 19 20 20 20 21 21 21 21 21 22 22 22 22 Teil I Grundlagen der Physik 23 Kapitel 1 Die Welt verstehen: Physik II, die Fortsetzung 25 Mechanik und Wärmelehre Elektrizität und Magnetismus Elektrische Ladungen und elektrische Felder Einen Schritt weiter: der Magnetismus Wechselstromkreise: Wechselspiel zwischen elektrischen und magnetischen Feldern Das ist die perfekte Welle Alles über Schallwellen Die Natur des Lichts Spielen mit Licht: Reflexion und Brechung Bilderzeugung: Linsen und Spiegel Interferenz: wenn Licht mit Licht wechselwirkt Die moderne Physik: ein weit verzweigtes Feld 25 25 26 26 27 27 28 28 29 29 30 31 9 Physik II für Dummies Die Schwarzkörperstrahlung: Wärme bedeutet Helligkeit Die Relativitätstheorie: natürlich gilt E = mc2 Identitätsprobleme: der Welle-Teilchen-Dualismus Das αβγ der Strahlung Kapitel 2 Startvorbereitungen Mathematik und Messungen: Überblick über die grundlegenden Kenntnisse Die Maßsysteme MKS und CGS Einheiten umrechnen Vereinfachung durch Exponentialschreibweise Auffrischung der Algebra-Kenntnisse Verwendung der Trigonometrie Beschränkung auf signifikante Stellen Auffrischung Ihrer Physik-Kenntnisse Mit Vektoren den Weg weisen Bewegung: Geschwindigkeit und Beschleunigung Zwang ausüben: eine Frage der Kraft Karussell fahren: die Kreisbewegung Strömende Elektronen: Schaltkreise 31 31 32 32 33 33 33 34 37 38 38 40 41 41 42 43 43 45 Teil II Arbeit hält warm: Mechanik und Wärmelehre 47 Kapitel 3 Mechanik 49 Bewegung pur: Kinematik Geradeaus: Translationsbewegungen Immer dasselbe: Energie- und Impulserhaltungssatz Beispiel: Stöße Kreisverkehr: Kreisbewegungen Auf die Kraft kommt es an: Dynamik Arbeit und weitere Größen Drehbewegungen Vergleich von Translation und Rotation Kapitel 4 Manche mögen’s heiß: Wärmelehre Brauchen wir dicke Pullover? Temperatur und Wärme Temperaturmessung Volumen und Längenausdehnung 36 Grad und es wird noch heißer: Wärme und Wärmemengen 10 49 50 51 52 54 59 63 67 73 75 75 75 77 80 Inhaltsverzeichnis Whiskey on the Rocks: Phasenübergänge Gut Versteckt: latente Wärme Langsam warm werden: Wärmetransport Grundlagen des Wärmetransports Vorsicht: der Griff ist heiß! Die Wärmeleitung Nur heiße Luft: die Konvektion Die Sonne spüren: Strahlung Nichts als heiße Luft: Thermodynamik von Gasen Nicht gerade wenig: Avogadrozahl Ideal: das Gasgesetz Ganz schön schnell: Energie und Geschwindigkeit von Gasmolekülen Die vier Hauptsätze der Thermodynamik Null, aber wichtig: der »nullte« Hauptsatz Der 1. Hauptsatz Der 2. Hauptsatz Der 3. Hauptsatz 81 82 83 83 84 86 86 86 87 87 90 92 92 92 98 100 Teil III Feldarbeit: Elektrizität und Magnetismus 103 Kapitel 5 Ganz schön geladen: die Elektrizität 105 Elektrische Ladungen Nichts geht verloren: Ladung bleibt erhalten Messung elektrischer Ladung Gegensätze ziehen sich an: abstoßende und anziehende Kräfte Ganz schön geladen Statische Elektrizität: Aufbau überschüssiger Ladung Auflademethoden Eine Frage des Materials: Leiter und Isolatoren Das Coulomb’sche Gesetz: die Berechnung der Kräfte zwischen Ladungen Elektrische Felder: eine Einführung Geladene Flächen: Grundlegendes über Felder Elektrische Felder von geladenen Körpern Gleichmäßige elektrische Felder: der Parallel-Platten-Kondensator Abschirmung: das elektrische Feld innerhalb von Leitern Spannung: das Potential erkennen Die Grundlagen elektrischer Potentiale Arbeit aufwenden, um Ladungen zu bewegen Berechnung des elektrischen Potentials von Ladungen Äquipotentialflächen von Punktladungen und geladenen Flächen Gespeicherte Ladung: Kondensatoren und Dielektrika Die gespeicherte Ladung eines Kondensators Zusätzliche Kapazität durch Dielektrika Berechnung der Energie von Kondensatoren mit Dielektrika 105 105 106 106 108 108 109 111 111 112 112 114 115 117 118 119 120 121 122 124 124 124 125 11 Physik II für Dummies Kapitel 6 Magnetismus ist anziehend Alles über Magnetismus: die Verbindung zwischen Magnetismus und Elektrizität Elektronenschleifen: Permanentmagnete und magnetische Materialien Von Norden nach Süden oder von Pol zu Pol Die Definition des magnetischen Feldes Sie müssen sich schon bewegen: magnetische Kräfte auf Ladungen Die Größe der magnetischen Kraft Die Rechte-Hand-Regel Pure Faulheit: Magnetfelder vermeiden Arbeit Im Kreis herum: geladene Teilchen in Magnetfeldern Magnetische Kräfte auf elektrische Ströme Von der Geschwindigkeit zum Strom: Strom in die Formel für die magnetische Kraft bringen Das Drehmoment: in Elektromotoren Strom den Dreh geben Zurück zur Quelle: Erzeugung von Magnetfeldern durch elektrischen Strom Erzeugung eines Magnetfeldes durch einen Leitungsdraht In das Zentrum rücken: Magnetfelder von Stromschleifen Schleifen aneinanderreihen: die Erzeugung von gleichmäßigen Feldern durch Zylinderspulen Kapitel 7 Wechselströme und Wechselspannungen Wechselstromkreise und Widerstände Das Ohm’sche Gesetz für Wechselspannung Durchschnittlich: der quadratische Mittelwert von Strom und Spannung In Phase: die Verbindung von Widerständen und Wechselspannungsquellen Wechselspannung und Kondensatoren: Speicherung von Ladung im elektrischen Feld Der Blindwiderstand Nicht in Phase: der Strom eilt der Spannung voraus Erhaltung der Leistung Wechselspannung und Induktionsspulen: im magnetischen Feld Energie speichern Das Faraday’sche Gesetz: das Prinzip der Induktion Der induktive Widerstand Hintendran: der Strom eilt der Spannung nach Wettrennen zwischen Strom und Spannung: die RLC-Reihenschaltung Die Impedanz: das Verhältnis von Strom und Spannung bei Bauelementen Nacheilen oder Vorauseilen: die Größe der Phasenverschiebung Das ist Spitze: Berechnung des maximalen Stromes in einer RLC-Reihenschaltung Den Blindwiderstand ausschalten Bestimmung der Resonanzfrequenz 12 127 127 128 129 131 132 132 133 134 134 139 139 141 143 144 146 148 151 151 152 153 154 155 156 157 159 159 160 164 165 166 167 170 172 172 173 Inhaltsverzeichnis Halbleiter und Dioden Dotierung von Halbleitern 174 174 Teil IV Wellenreiten: Licht und Schall 175 Kapitel 8 Erforschung der Wellen 177 Wellen: Transport von Energie Auf und ab: Transversalwellen Vorwärts und wieder zurück: Longitudinalwellen Eigenschaften von Wellen: so arbeitet eine Welle Bestandteile einer Welle Mathematische Beschreibung einer Welle Den Sinus betrachten: graphische Darstellung von Wellen Wenn Wellen zusammenstoßen: das Verhalten von Wellen 177 178 179 179 179 181 183 186 Kapitel 9 Hören Sie sich das an 187 Schwingen, um gehört zu werden: Schallwellen als Schwingungen Die Lautstärke vergrößern: Druck, Kraft und Intensität Unter Druck: Messung der Amplitude von Schallwellen Die Intensität des Schalls Berechnung der Schallgeschwindigkeit Schnell: die Schallgeschwindigkeit in Gasen Schneller: die Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten Am schnellsten: die Schallgeschwindigkeit in Festkörpern Das Verhalten von Schallwellen Ein Echo zurückwerfen: Reflexion von Schallwellen Im selben Raum: die Interferenz von Schallwellen Die Beugung von Schallwellen Kommen und Gehen mit dem Doppler-Effekt Die Schallgrenze durchbrechen: Druckwellen 187 189 190 191 193 194 196 197 198 199 200 208 209 211 Kapitel 10 Es werde Licht: wenn sich Elektrizität und Magnetismus vereinen 215 Es werde Licht: Erzeugung und Empfang von Wellen Erzeugung eines elektrischen Wechselfeldes Ein entsprechendes magnetisches Wechselfeld hinzufügen Der Empfang von Radiowellen Den Regenbogen betrachten: das elektromagnetische Spektrum 215 215 217 219 221 13 Physik II für Dummies Das elektromagnetische Spektrum unter der Lupe Frequenz und Wellenlänge des Lichts Unschlagbar: die Spitzengeschwindigkeit des Lichts Das erste erfolgreiche Experiment zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit Die theoretische Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit Die Energiedichte von Licht Bestimmung der momentanen Energie Die durchschnittliche Energiedichte des Lichts Kapitel 11 Brechung und Linsen Mit Strahlen geht es einfacher Die Verlangsamung des Lichts: der Brechungsindex Berechnung der Verlangsamung Die Ablenkung berechnen: das Snellius‘sche Brechungsgesetz Der Regenbogen: Wellenlängen trennen Lichtbrechung und Reflexion nach innen Es kommt wieder zurück: die Totalreflexion Polarisiertes Licht: es wird teilweise reflektiert Linsen erzeugen Bilder Gegenstände und Bilder Im Brennpunkt: Sammel- und Zerstreuungslinsen Darstellung von Strahlengängen Mathematische Beschreibung von Abbildung und Vergrößerung Die Linsengleichung Die Gleichung für die Vergrößerung Stärkere Vergrößerung durch die Kombination von Linsen Mikroskope und Fernrohre Winkelvergrößerung Kapitel 12 Der Schein fällt zurück: Reflexion und Spiegel Reflexion an ebenen Spiegeln Bestimmung der Winkel Erzeugung von Bildern durch ebene Spiegel Die Größe eines Spiegels Gekrümmte Spiegel Der Hohlspiegel Kleiner und kleiner: konvexe Spiegel Zusammenfassung in Zahlen: Gleichungen zur Beschreibung sphärischer Spiegel Die Spiegelgleichung Größer oder kleiner: die Vergrößerung 14 221 222 223 224 226 228 228 231 233 233 235 235 236 238 239 240 242 244 245 245 248 251 252 254 256 257 259 261 261 262 262 264 266 267 270 272 272 274 Inhaltsverzeichnis Kapitel 13 Licht und Schatten: Interferenz und Beugung 277 Wenn Wellen zusammentreffen: die Interferenz von Licht Wellen in Phase: konstruktive Interferenz Es wird dunkel: destruktive Interferenz Interferenz: Erzeugung von kohärentem Licht Der Doppelspalt Benzintropfen in einer Pfütze: Interferenzen an dünnen Schichten Beugung am Einzelspalt: Interferenz von Elementarwellen Das Huygens’sche Prinzip: die Beugung am Spalt Die Streifen im Beugungsmuster Berechnung eines Beugungsmusters Viele Spalte: das Beugungsgitter Trennung der Farben anhand von Beugungsgittern Beugung am Gitter: ein Beispiel Sehen Sie klar: Auflösungsvermögen und Beugung an einem Loch 277 278 280 282 282 286 290 290 292 294 295 295 296 297 Teil V Moderne Physik 301 Kapitel 14 Hören Sie auf Einstein: die spezielle Relativitätstheorie 303 Los geht’s: Grundlagen der speziellen Relativitätstheorie Betrachten Sie Ihren Ausgangspunkt: Bezugssysteme Die Postulate der speziellen Relativitätstheorie Die spezielle Relativitätstheorie Die Zeit verlangsamen: Zeitdilatation Die Länge verkürzen: Längenkontraktion Der Impuls nahe der Lichtgeschwindigkeit Es ist soweit: E = mc2 Die Ruheenergie: die Energie, die auf der Masse beruht Die kinetische Energie eines Körpers Die potentielle Energie übergehen Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit addieren 304 304 306 307 308 313 316 318 318 320 322 323 Kapitel 15 Energie und Materie: sowohl Wellen als auch Teilchen 325 Die Strahlung schwarzer Körper: Entdeckung der Teilchennatur des Lichts Die Aufregung um die Schwarzkörperstrahlung Diskret werden: das Planck’sche Wirkungsquantum Lichtpakete: Fortschritt durch den photoelektrischen Effekt Die Erklärung des photoelektrischen Effekts Einstein als Retter: die Einführung der Photonen 325 326 327 327 328 329 15 Physik II für Dummies Die kinetische Energie der Elektronen Der sofortige Austritt der Elektronen Ein Zahlenbeispiel zum photoelektrischen Effekt Zusammenstöße: Überprüfung der Teilchennatur des Lichts anhand des Compton-Effekts Die De-Broglie-Wellenlänge: Beobachtung der Wellennatur der Materie Interferierende Elektronen: Bestätigung von de Broglies Vorschlag Berechnung der Wellenlänge verschiedener Teilchen Keine Gewissheit: die Heisenberg’sche Unschärferelation Die Unschärfe bei der Elektronenbeugung Herleitung der Unschärferelation Berechnung von Unschärfen Kapitel 16 Feine Details: die Struktur der Atome 330 331 332 333 336 336 337 339 339 339 342 345 Beschreibung der Atome: das Planeten-Modell Die Rutherford-Streuung: die Entdeckung des Atomkerns durch die Streuung von Alpha-Teilchen Zusammenstürzende Atome: Infragestellung des Rutherford’schen Planetenmodells Antwort auf die Infragestellung: diskret werden mit Linienspektren Überarbeitung des Planetenmodells des Wasserstoffatoms: das Bohr’sche Modell Berechnung der erlaubten Elektronenenergien Berechnung der erlaubten Radien Bestimmung der Rydberg-Konstante anhand des Linienspektrums von Wasserstoff Darstellung im Energieniveauschema Begründung für die Quantisierung: De Broglie überdenkt das Bohr’sche Modell Die Elektronenkonfiguration: die Quantenphysik und das Atom Die vier Quantenzahlen Zahlenverarbeitung: die Anzahl der Quantenzustände Mehrelektronenatome: das Pauli-Prinzip Kurzschreibweise der Elektronenkonfiguration Kapitel 17 Kernphysik und Radioaktivität Die Struktur des Atomkerns Die Rolle der Chemie: Ordnungszahl und Massenzahl Anzahl der Neutronen: Isotope eines Elementes Ach, wie klein: das Volumen und der Radius des Atomkerns Berechnung der Dichte des Kerns Die starke Wechselwirkung: Sie hält die Kerne zusammen Die abstoßende Kraft zwischen den Protonen 16 345 346 347 347 350 352 353 355 356 357 358 358 360 362 364 367 367 368 369 370 371 371 372 Inhaltsverzeichnis Die starke Wechselwirkung Bestimmung der Bindungsenergie des Kerns Von α bis γ: die verschiedenen Arten des radioaktiven Zerfalls Freisetzung von Helium: der Alpha-Zerfall Gewinnung von Protonen: der Beta-Zerfall Emission von Photonen: der Gamma-Zerfall Griff zum Geiger-Zähler: die Halbwertszeit und radioaktiver Zerfall Die Halbwertszeit Zerfallsraten: Aktivität eines Stoffes 372 373 375 376 377 378 379 380 381 Teil VI Der Top-Ten Teil 383 Kapitel 18 Zehn Experimente, die die Welt verändert haben 385 Michelsons Messung der Lichtgeschwindigkeit Das Doppelspaltexperiment von Young: Licht ist eine Welle Der photoelektrische Effekt Die Entdeckung von Materiewellen durch Davisson und Germer Röntgenstrahlen Marie Curie und die Radioaktivität Rutherfords Entdeckung des Atomkerns Der Stern-Gerlach-Versuch Das Atomzeitalter: der erste Atommeiler Bestätigung der speziellen Relativitätstheorie 385 386 386 387 387 387 388 388 388 389 Kapitel 19 Zehn Online-Rechner 391 Vektor-Rechnung Zentripetalbeschleunigung einer Kreisbewegung Die in einem Kondensator gespeicherte Energie Elektrische Resonanzfrequenz Kapazitiver Blindwiderstand Induktiver Blindwiderstand Umrechnung von Frequenz und Wellenlänge Längenkontraktion Der relativistische Faktor Berechnung von Halbwertszeiten 391 391 392 392 392 393 393 393 393 394 Stichwortverzeichnis 395 17 Physik II für Dummies 18
